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消化とは、炭水化物を分解してATPと呼ばれるエネルギー豊富な化合物を生成することです。ATPの生成は、グルコース分子の酸化によって達成されます。酸化では、グルコース分子から電子が剥ぎ取られ、NAD+とFADが還元されます。NAD+とFADは、電子伝達系でATPの生成を促進する高いエネルギーポテンシャルを持っています。ATPの生成は、細胞のミトコンドリアで行われます。ATPを生成する方法は、好気呼吸と嫌気呼吸の2つがあります。好気呼吸では、酸素が必要です。酸素を使用すると、ATPの生成は4分子から約30分子に増加します。嫌気呼吸では、酸素の代わりに他の分子が使用されます。酸素がない場合、ATPの生成は発酵によって継続されます。発酵には、アルコール発酵と乳酸発酵の2種類があります。
炭水化物にはいくつかの種類があります。多糖類（例：デンプン、アミロペクチン、グリコーゲン、セルロース）、単糖類（例：グルコース、ガラクトース、フルクトース、リボース）、二糖類（例：スクロース、マルトース、ラクトース）などです。
単糖類（単純糖とも呼ばれる）は、炭水化物の最も基本的で基本的な単位です。これらは、C 6 H 12 O 6という一般的な化学構造を持つ単純糖です。
二糖類は炭水化物の一種です。二糖類は、2つの単糖が水分子を脱離してできた複合糖で、一般的な化学構造はC12H22O11です。
オリゴ糖は、3～10個の単糖がグリコシド結合で連結されたポリマーからなる炭水化物である。
グルコースは酸素と反応して、C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 Oという反応を起こします。二酸化炭素と水は老廃物であり、この反応全体は発熱反応です。
したがって、グルコースと酸素が反応してATP分子の形でエネルギーを放出する反応は、生物に見られる最も重要な生化学的経路の一つである。
解糖とは「糖の分解」を意味し、細胞呼吸経路の最初のプロセスです。解糖は好気性プロセスまたは嫌気性プロセスのいずれかです。酸素が存在する場合、解糖は好気性呼吸経路に沿って進行します。酸素が存在しない場合、ATPの生成は嫌気性呼吸に限定されます。好気性または嫌気性の解糖が起こる場所は、細胞の細胞質です。解糖では、6炭素のグルコース分子が、ピルビン酸と呼ばれる2つの3炭素分子に分解されます。これらの炭素分子は、 NADHとATPに酸化されます。グルコース分子がピルビン酸に酸化されるには、ATP分子の投入が必要です。これは投資段階として知られており、合計2分子のATPが消費されます。解糖の終了時には、ATPの総収量は4分子ですが、正味の利益は2分子のATPです。 ATPは合成されるものの、生成されるATP分子は2つと、2番目と3番目の経路であるクレブス回路と酸化的リン酸化に比べると少ない。 [ 1 ]
酸素が存在しなくても、解糖系はATPを生成し続けることができます。ただし、解糖系がATPを生成し続けるためには、グルコースを酸化する役割を担うNAD+が存在しなければなりません。これは、NADHをNAD+にリサイクルすることによって達成されます。NAD+がNADHに還元されると、NADHからの電子は最終的に別の有機分子に伝達され、NADHはNAD+に戻ります。このNAD+の供給を補充するプロセスは発酵と呼ばれ、2つのカテゴリーに分類されます。[ 1 ]
アルコール発酵では、グルコース分子が酸化されると、エタノール（エチルアルコール）と二酸化炭素が副産物として生成されます。このタイプの発酵においてNAD+の供給を補充する役割を担う有機分子は、解糖系から生成されるピルビン酸です。各ピルビン酸は二酸化炭素分子を放出し、アセトアルデヒドに変化します。アセトアルデヒドは、解糖系から生成されたNADHによって還元され、アルコールの老廃物であるエタノールが生成され、同時にNAD+が生成されます。これにより、解糖系がATPを生成し続けるためのNAD+の供給が補充されます。[ 1 ]
乳酸発酵では、各ピルビン酸分子はNADHによって直接還元されます。このタイプの発酵の唯一の副産物は乳酸です。乳酸発酵は、酸素消費量が供給される酸素量よりも多い激しい運動中にATPを生成する手段として、ヒトの筋肉細胞によって利用されます。このプロセスが進むにつれて、余剰の乳酸は肝臓に運ばれ、そこでピルビン酸に変換されます。[ 1 ]
酸素が存在する場合、解糖の後、2つのピルビン酸分子はミトコンドリア自体に取り込まれ、クレブス回路を通ります。この回路では、解糖で生成されたピルビン酸分子がさらに分解され、残りのエネルギーが利用されます。各ピルビン酸は一連の反応を経てアセチル補酵素Aに変換されます。ここから、アセチル基のみがクレブス回路に参加し、酵素によって触媒される一連の酸化還元反応を経て、アセチル基からさらにエネルギーが利用されます。電子の形で存在するアセチル基からのエネルギーは、NAD+とFADをそれぞれNADHとFADH2に還元するために使用されます。NADHとFADH2には、最初のグルコース分子から利用されたエネルギーが蓄えられており、ATPの大部分が生成される電子伝達系で使用されます。 [ 1 ]
好気呼吸の最後のプロセスは、電子伝達系とも呼ばれる酸化的リン酸化です。ここでは、NADHとFADH₂がミトコンドリアの内膜で酸素とプロトンに電子を渡し、ATPの生成を促進します。酸化的リン酸化は、解糖系やクレブス回路と比較して、生成されるATPの大部分を占めます。解糖系とクレブス回路ではATP分子が2つであるのに対し、電子伝達系では最大で28個のATP分子が生成されます。その要因の一つは、NADHとFADH₂のエネルギーポテンシャルです。もう一つの要因は、ミトコンドリアの内膜であるクリステが表面積を増加させ、ATP合成を助ける膜タンパク質の量を増やすことです。電子伝達系には、それぞれ独自のH⁺イオン濃度勾配を持つ独立した区画があり、これがATP合成の動力源となります。 ADPをATPに変換するには、エネルギーが必要です。そのエネルギーはH+勾配によって供給されます。膜区画の一方の側には、もう一方の側に比べてH+イオンの濃度が高くなっています。H+が膜の一方の側に移動するには、膜全体にわたる電子の発エルゴン的な流れが必要です。これらの電子は、NADHとFADH2がその位置エネルギーを伝達する際に供給されます。H+濃度勾配が確立されると、プロトン駆動力が確立され、ADPをATPに変換するためのエネルギーが供給されます。最初にミトコンドリア膜の一方の側に押し込まれたH+イオンは、ATPシンターゼと呼ばれる膜タンパク質を介して自然に流れます。ATPシンターゼは、H+イオンの助けを借りてADPをATPに変換するタンパク質です。 [ 1 ]